Prąd z wody. Morza i oceany jako fabryki czystej energii

Orlen i Northland Power wspólnie budują farmę wiatrową Baltic Power o mocy sięgającej 1,2 GW. To jeden ze sposobów wykorzystania potencjału Bałtyku do produkcji czystej energii. Na świecie powstaje jednak wiele innych rozwiązań, które w różny sposób wykorzystują morza i oceany do produkcji prądu. W jaki sposób można wykorzystać w tym celu morski żywioł?

Pierwsza w Polsce morska farma wiatrowa – Baltic Power – ma zacząć działać w 2026 r. Na wysokości Choczewa i Łeby, 3 km od wybrzeża, na obszarze 130 km kwadratowych będzie pracować 76 15-megawatowych turbin wyprodukowanych przez firmę Vestas.

Choć budowa turbin na morzu stawia – w porównaniu z inwestycją na lądzie – więcej wyzwań technicznych, w dłuższej perspektywie jest opłacalna. Morze nie narzuca restrykcyjnych ograniczeń środowiskowych, a przede wszystkim zapewnia lepsze warunki: silniejsze i stabilniejsze wiatry niż w głębi lądu.

Bałtycka farma wiatrowa wpisuje się w znacznie szerszy trend, gdzie potencjał mórz i oceanów jest wykorzystywany do produkcji energii. W jaki inny sposób można to robić?

Prawdopodobnie najbardziej zaawansowanym rozwiązaniem jest technologia opracowana przez zespół naukowców z Politechniki w Lozannie (L'Ecole polytechnique federale de Lausanne - EPFL). Szwajcarskie rozwiązanie wykorzystuję osmozę wody słonej i słodkiej.

Po oddzieleniu ich specjalną membraną, na skutek różnicy w zasoleniu, a tym samym w poziomie ciśnienia hydrostatycznego, słodka woda przenika przez osłonę, a jej ruch da się wykorzystać do produkcji prądu. Pomysł szwajcarskich naukowców przetestowano na razie w warunkach laboratoryjnych, więc jego praktyczne zastosowanie będzie możliwe dopiero w przyszłości.

Rozwiązanie to jest jednak na tyle perspektywiczne, że prace nad osmotyczną produkcją energii są prowadzone m.in. w Stanach Zjednoczonych i Japonii, gdzie – jak wykazują badacze – będzie można w przyszłości pokryć w ten sposób nawet 10 proc. zapotrzebowania na energię.

Bardzo obiecująca jest także próba wykorzystania różnic w temperaturze wody, cieplejszej blisko powierzchni i chłodniejszej w głębinach. Technologia OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion), choć jej teoretyczne podstawy są znane od XIX wieku, znajduje się jednak na etapie pilotażu i testów. Związane z nią rozwiązania i eksperymentalne obiekty powstają m.in. W Stanach Zjednoczonych, Indiach i Japonii.

Znacznie prostsze – pod względem technologicznym – jest wykorzystanie cyklicznych ruchów morskiej wody, czyli przypływów i odpływów wywołanych wpływem grawitacyjnym Księżyca. Choć na Bałtyku są one nieznaczne, na wybrzeżach oceanicznych różnice pomiędzy minimalnym i maksymalnym poziomem wody mogą sięgać kilku metrów.

Cykliczność pływów pozwala na wykorzystanie ich do zasilania elektrowni pływowych. Są to instalacje budowane m.in. w ujściach rzek, gdzie przypływ wtłacza masy wody w głąb lądu, a odpływ ściąga je ponownie do morza. Ruch wody jest w tym przypadku wykorzystywany do napędzania turbin produkujących prąd.

Wadą takiego rozwiązania jest ograniczony czas pracy turbin. Do zalet należy za to cykliczność pływów gwarantująca stałą produkcję prądu w ciągu doby. Pierwsza duża elektrownia tego typu powstała już w 1966 r. u ujścia rzeki Rance w Bretanii. Funkcjonująca do dzisiaj Rance Tidal Power Station ma 24 turbiny generujące ok. 500 GWh rocznie.

Podobna elektrownia, o nieco większej mocy, rozpoczęła w 2011 r. pracę w Korei Południowej. Zbudowana kosztem nieco ponad pół mld dolarów Sihwa Lake Tidal Power Station dostarcza obecnie ok. 550 GWh w skali roku.

Energię pływów – ale w inny sposób – wykorzystuje także największa na świecie, nawodna elektrownia pływowa Orbital Marine O2. Obiekt ma formę kadłuba, do którego dołączono dwie opuszczane gondole z rotorami, działające niezależnie od kierunku przepływu wody.

Cała instalacja ma 72 metry długości i wyporność 680 ton, a zasilające turbinę, zanurzalne rotory, mają po 20 metrów średnicy. Ważną zaletą tego rozwiązania jest jego mobilność. Elektrownię można przemieszczać do miejsc, gdzie występują optymalne warunki i – zarazem – zapotrzebowanie na energię.

Zaledwie dwa lata temu u wybrzeży Japonii uruchomiono – na razie testowo – elektrownię Kairyu, zbudowaną w celu wykorzystania energii prądów morskich. W przeciwieństwie do pływów, prądy morskie są stałe i stabilne (choć zakłóca je katastrofa klimatyczna), co pozwala na regularną pracę turbin przez całą dobę.

Kairyu to 300-tonowy, zanurzalny obiekt, który wykorzystuje ruch wody generowany przez ciepły prąd morski Kuro Siwo, opływający Wyspy Japońskie od wschodu. Zakotwiczona do morskiego dna elektrownia może zmieniać swoje zanurzenie, aby optymalnie wykorzystać ruch wody. Może również wynurzyć się całkowicie, umożliwiając np. przeprowadzenie różnych prac serwisowych.